0 引言

    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。西安交通大學(xué)等建立了檢測(cè)頻帶可調(diào)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)及局部放電自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。清華大學(xué)則試圖通過(guò)在變壓器內(nèi)部安置特高頻天線(xiàn)的方法來(lái)測(cè)量變壓器的內(nèi)部放電，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)外的研究一般在電力設(shè)備頂部靠近高壓側(cè)的箱體上開(kāi)一窗口(介質(zhì)窗)，傳感器通過(guò)介質(zhì)窗提取局部放電信號(hào)，并通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行分析?？傊瑖?guó)內(nèi)外利用UHF法檢測(cè)電力變壓器的工作大多集中在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展的較少，且開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備均為頻譜分析儀，不但價(jià)格昂貴且不適合在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行^[2]。

    在新形勢(shì)下的智能電網(wǎng)推廣與運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，一方面，傳統(tǒng)UHF局放檢測(cè)儀采用下變頻+高速AD卡+X86工控機(jī)架構(gòu)，其中下變頻采用一路本振與輸入信號(hào)相乘，會(huì)導(dǎo)致頻譜混疊。而高速AD卡只負(fù)責(zé)采樣，不負(fù)責(zé)信號(hào)處理，嚴(yán)重增加后端工控機(jī)處理負(fù)荷；另一方面，局部放電產(chǎn)生的特高頻信號(hào)頻率已達(dá)微波頻段，若直接采集，對(duì)采集設(shè)備的采樣率和存儲(chǔ)深度的要求非常高。所以，必須設(shè)計(jì)全新架構(gòu)來(lái)解決頻譜混疊和工控負(fù)荷過(guò)重等問(wèn)題。

1 特高頻局部放電檢測(cè)

    UHF法、AE法等是目前現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)局部放電的常用方法，也是目前國(guó)際上公認(rèn)的、最適合現(xiàn)場(chǎng)使用的局部放電檢測(cè)技術(shù)，其有效性得到國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 CIGRE 聯(lián)合工作組的一致認(rèn)同。目前，這種靈敏的、幾乎無(wú)干擾的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于常規(guī)高壓電力設(shè)備的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)或巡檢工作。

    電力設(shè)備每一次局放都會(huì)伴隨著一個(gè)納秒級(jí)的陡電流脈沖向周?chē)椛潆姶挪?，頻率可達(dá)300 MHz～3 GHz，特高頻(UHF)檢測(cè)技術(shù)就是通過(guò)對(duì)該電磁波進(jìn)行捕獲、分析，從而對(duì)局放源進(jìn)行定位。把局部放電看做是一個(gè)點(diǎn)源，其產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)隨時(shí)間變化而產(chǎn)生電磁波，遵循 Maxwell 的電磁場(chǎng)基本方程。其時(shí)變電磁場(chǎng)基本方程通過(guò)引入動(dòng)態(tài)向量位和動(dòng)態(tài)標(biāo)量位轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)位方程：

    求解，得：

其中V為電荷的分布空間。該解說(shuō)明PD電磁波以速度y沿著r方向傳播，是時(shí)間與位置的函數(shù)，為橫向電磁波，其能力沿電磁波傳播方向流動(dòng)^[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。采用自主創(chuàng)新的“嵌入式LINUX操作系統(tǒng)+嵌入式工控機(jī)+專(zhuān)用采集分析板卡+專(zhuān)用分析軟件”構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)局部放電信號(hào)的采集、放大、分析、存儲(chǔ)重放。

2.2 信號(hào)的采集模塊

    利用模擬開(kāi)關(guān)可以將一路測(cè)量電路采集兩個(gè)探頭，一路測(cè)量環(huán)境噪聲，一路測(cè)量特高頻信號(hào)。因?yàn)槠胀ǖ睦^電器在斷開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)間有寄生電容，不能真正阻斷高頻信號(hào)的繼續(xù)前進(jìn)，而在接通時(shí)，對(duì)特高頻信號(hào)損耗較大，不適合此處應(yīng)用。所以在這里選用特高頻信號(hào)專(zhuān)用的半導(dǎo)體模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)二轉(zhuǎn)一的功能。

    考慮到智能電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，本系統(tǒng)為之設(shè)計(jì)了四波段開(kāi)關(guān)濾波器組。目前來(lái)看，多路開(kāi)關(guān)濾波器組件中高低波段的相互串?dāng)_難以避免。雖然不能消除它，但可以通過(guò)將兩組四波段濾波器串聯(lián)的辦法使之盡可能地減小。其中一條波段的線(xiàn)路如圖2所示^[5]。

2.3 程控放大器模塊

    不同頻段的信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量板卡的放大、混頻、濾波后進(jìn)入AD芯片前，增益會(huì)發(fā)生變化，這里在AD芯片前級(jí)設(shè)計(jì)了程控放大器，針對(duì)不同的頻段信號(hào)，設(shè)定不同的增益，以保證不同頻段信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)采用TQM8M9075數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?，如圖3所示。

2.4 雙通道模塊

　　程控放大器和FPGA之間如果只有一路本振信號(hào)，與特高頻信號(hào)混頻后頻譜搬移效果如圖4所示。

    而雙路正交混頻后頻譜搬移如圖5所示，其較好地解決了頻譜混疊現(xiàn)象。

2.5 大容量FPGA與同步信號(hào)

    AD芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，而通過(guò)軟件對(duì)兩路105M采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理使CPU壓力非常大，因此后端設(shè)計(jì)了FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻、FFT變換、數(shù)字低通濾波、功率統(tǒng)計(jì)，大大降低了后端工控機(jī)處理負(fù)荷。同步信號(hào)模塊則負(fù)責(zé)將輸入的工頻信號(hào)耦合、整形后送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入的同步信號(hào)決定什么時(shí)候開(kāi)始處理信號(hào)，也就是說(shuō)，同步信號(hào)模塊提供FPGA一個(gè)參考0相位。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 運(yùn)行流程

    圖6為信號(hào)采集和處理的軟件流程圖。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀在安置、調(diào)試完成后將正式上電啟動(dòng)。首先將由工作人員設(shè)定底噪，可以按照默認(rèn)值也可以重新設(shè)定；然后設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控所需的頻段、帶寬及增益，所有設(shè)定過(guò)程全部通過(guò)人機(jī)交互展開(kāi)。所需參數(shù)設(shè)定完畢后，局放監(jiān)測(cè)探頭開(kāi)始采集信號(hào)，信號(hào)特征經(jīng)過(guò)自動(dòng)化處理后展現(xiàn)在儀器屏幕上^[8]。

3.2 效果展示

    使用時(shí)，如果您不知道現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中心頻率，可以使用掃頻功能，系統(tǒng)將自動(dòng)分析從設(shè)備發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出一個(gè)合理的值，填充到中心頻率輸入框中。

    接下來(lái)進(jìn)入系統(tǒng)主工作界面，如圖7所示。其中，區(qū)域1、區(qū)域3、區(qū)域4作為主顯示區(qū)域，分別展示峰值趨勢(shì)圖或均值趨勢(shì)圖、放電次數(shù)-相位圖、幅度-相位圖。區(qū)域2和區(qū)域5處的各種按鈕負(fù)責(zé)對(duì)以上顯示區(qū)域進(jìn)行各種操作、控制。最底層的三個(gè)區(qū)域分別是：系統(tǒng)菜單欄、當(dāng)前通道狀況和快捷鍵欄。

4 結(jié)論

    本文利用特高頻法研究智能電網(wǎng)的局部放電，克服了傳統(tǒng)的脈沖電流法測(cè)量頻率低、頻帶窄的缺點(diǎn)，可以較全面地研究局部放電的特征。其中，可檢測(cè)的主要狀態(tài)量及通道包含UHF-4通道、同步電壓-1通道，接收300 MHz~3 200 MHz頻段的信號(hào)，具有良好的信噪比。能捕捉的最低局放信號(hào)精度達(dá)到了50pc，可廣泛應(yīng)用于10 M/100 M/1 000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和RS232配置接口。本文對(duì)智能電網(wǎng)局部放電特高頻檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行的理論及應(yīng)用研究，已經(jīng)取得了較好的效果，其廣泛的應(yīng)用將會(huì)在智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。若與數(shù)字化測(cè)量相結(jié)合，建立局部放電指紋庫(kù)，利用數(shù)字化的處理方式，將會(huì)實(shí)現(xiàn)局部放電的自動(dòng)識(shí)別。

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